长江流域水土保持科学研究进展及展望

刘纪根，丁文峰，黄金权

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010； 2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉 430010)

1 发展历程

长江流域水土流失类型以水力侵蚀为主，兼有风力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀，以及泥石流、崩岗等混合侵蚀。由于地质、地貌、植被、气候、土壤等自然条件和人类活动区域差异，水土流失类型、强度存在明显的区域差异。长江流域水土保持科学研究始于20世纪30年代，国内土壤学家相继开展了土壤侵蚀与水土保持的调查和实验研究。1922—1927年美籍水土保持学家罗德民(W. C. Lowdermilk)在金陵大学任教期间，在国内多处设置径流小区，观测不同森林植被和植被破坏的山坡水土流失量的变化。此后，在四川内江、北碚也相继设置试验小区，开展了耕作方法、水土保持措施对径流泥沙的影响研究[1-2]。

新中国成立后，水土保持工作被纳入国民经济建设的轨道，为水土保持科学研究发展提供了便利条件，在全国范围内开展了基础性、综合性的研究。1959年，受“长江流域规划办公室”委托，中国科学院西北生物土壤研究所组织了长江流域水土保持综合考察队，围绕长江流域土壤侵蚀区划开展了全面系统的考察研究，在1961年完成了《长江流域土壤侵蚀区划报告》。在20世纪60—80年代，中国科学院成都山地灾害与环境研究所和南京土壤研究所等单位，在南方地区多次进行水土流失调查、山地利用水土保持综合考察、水土保持区划，开展了紫色页岩和花岗岩流失区的定位观测及水土流失治理的试点研究。此后，围绕长江上游地区土壤侵蚀、泥沙输移和流域产沙问题，开展了三峡库区、金沙江中上游和嘉陵江中下游地区侵蚀产沙机理的研究，为国家宏观决策提供科学依据。至20世纪90年代后，随着“长江上中游水土保持重点防治工程”“天然林保护工程”等工程的实施，众多科研机构、专家学者围绕水土保持相关基础问题，开展了小流域综合治理模式、水土保持治理效益、水土保持新技术应用研究等[1]。

2005年水利部、中国科学院和中国工程院联合组织开展的“中国水土流失与生态安全综合科学考察”，在南方红壤区、西南紫色土区展开考察，围绕区域水土流失现状、特点、危害与演变趋势，剖析水土流失的原因和症结，提出综合治理水土流失的对策和措施。此后，陆续启动了“西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控”“中国主要水蚀区土壤侵蚀过程与调控研究”等国家“973”项目及“长江上游坡耕地整治与高效生态农业关键技术试验示范”“红壤退化的阻控和定向修复与高效优质生态农业关键技术研究与试验示范”等国家科技支撑计划项目[3]。

2016年启动了国家重点研发计划“喀斯特槽谷区土地石漠化过程及综合治理技术研发与示范”“喀斯特峰丛洼地石漠化综合治理与生态服务功能提升技术研究示范”“喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范”“喀斯特高原石漠化综合治理生态产业技术与示范”，2017年启动了国家重点研发计划“三峡库区面源污染控制与消落带生态恢复技术与示范”“南方红壤低山丘陵区水土流失综合治理”，这些项目将对提升区域生态服务功能，促进区域可持续发展方面起到一定的科技支撑作用。

2 水土保持科学研究进展

2.1 基础理论

自20世纪80年代以来，研究人员围绕长江流域主要侵蚀性土壤红壤、紫色土及崩岗、西南喀斯特，开展了水土流失规律研究，探讨了水土流失与坡度、降雨、植被等影响因子的定量关系；围绕水土流失过程与机理，开展了降雨侵蚀力、土壤可蚀性、水动力学过程、细沟侵蚀临界等系列研究；围绕水土保持效益评价，开展了水土保持措施减蚀机理、适应性评价、指标体系构建、评价方法等研究。

笔者就近几年研究中的一些亮点和重点阐述如下。

2.1.1 红壤团聚体稳定性与坡面侵蚀之间的关系

红壤地处热带、亚热带季风气候区，水热条件丰富，生物气候条件优越，成土作用强烈，母岩风化淋溶过程彻底，脱钾、脱盐基、脱硅等过程迅速，铁、铝氧化物集聚明显。因此，红壤的特点是质地黏重，富含氧化铁、铝，黏粒含量高，但有机质含量低，分散性强，水稳性差。从红壤性质着手，开展土壤结构与侵蚀过程互馈机理研究，对于揭示红壤侵蚀内在规律具有重要的指导意义。因此众多研究者以不同母质的红壤作为研究对象，通过人工模拟降雨，研究降雨侵蚀过程中红壤表土土壤结构的变化，分析土壤团聚体稳定性对坡面侵蚀的影响。团聚体作为土壤结构的基本单元，粒径分布影响水分在土壤中的分布与运移，从而影响入渗，进而影响土壤分离、搬运过程。因红壤分散性强、水稳性差，极易形成结皮，团聚体稳定性对坡面侵蚀过程的影响更加明显。但不同母质发育红壤形成结皮差异显著，其侵蚀过程也出现明显差异。泥质页岩红壤团聚体稳定性差，极易形成土壤结皮，侵蚀过程相对剧烈，径流速率和含沙量较高；第四纪红黏土红壤团聚体稳定好，较难形成结皮，侵蚀过程相对平稳，产流产沙量一般；花岗岩红壤团聚体稳定性非常好，基本没有结皮形成，侵蚀过程最弱，产流产沙较低。团聚体稳定性是红壤侵蚀的决定性因素和红壤可蚀性的良好表征指标，红壤的抗蚀能力主要通过>0.25 mm水稳性团聚体体现[4-5]。

2.1.2 崩壁土体抗剪强度随水分变化的规律

崩岗是南方花岗岩地区特有的一种侵蚀类型。众多研究者先后从岩性、地形地貌、气候、植被、人为活动等因素方面探讨崩岗的形成和发展的关系。研究表明，疏松、深厚的基岩风化壳，特别是花岗岩，风化壳厚度达几十米，是崩岗形成的基础。花岗岩内各种节理、裂隙存在形成大量的软弱结构面，在重力作用下土体极易沿软弱结构面产生崩岗。但崩壁的崩塌作用是崩岗的关键侵蚀过程，是崩岗演变和地形发育的基础。崩壁土体抗剪强度随水分变化的规律是研究崩岗发生机理的关键。当土壤体积含水率在10%～15%之间时，黏聚力的最高值达80 kPa，随着土壤含水率增加，黏聚力和内摩擦角逐渐降低到最小。在短历时或小雨强条件下，崩壁土体含水量低于某一值，土体具有较高的抗剪强度，崩塌不易产生。在长历时或大雨强条件下，一旦土体的含水量超过某一值，土壤的黏聚力和内摩擦角急剧下降，土体的抗剪强度也随之降低，在崩壁的崩塌作用下，崩岗发生。崩岗侵蚀一旦切入砂土层和碎屑层，崩岗侵蚀发展速度大大提高[6-7]。

2.1.3 紫色土壤中流在坡面侵蚀产沙中的作用

紫色土为“上覆土壤、下伏岩石”的“二元岩土结构”。上覆土壤层浅薄，厚度一般在30～50 cm范围内，且含有较多的母质碎屑，土壤孔隙度大，渗透性强，但持水能力弱；下伏基岩层结构紧密，透水性差。降雨过程中，土壤中水分极易达到饱和，饱和土壤水沿下伏基岩侧向流动，形成壤中流。

壤中流是紫色土坡面一个主要产流方式，其在径流中的比重随雨强、坡度、土地利用等而不同，一般随雨强的增大而减小，随坡度的增大而增大。小雨强时，壤中流占总径流量的90%～100%；中雨强时，壤中流占总径流量的30%～45%；大雨强时，壤中流占总径流量的6%～34%。

近年来，紫色土壤中流对地表径流侵蚀产沙的影响引起了众多研究者的注意，研究者发现在35°坡度0.85 mm/min雨强下，紫色土坡面没有地表径流产生，但产生了严重的土滑现象，壤中流促发的重力侵蚀是紫色土坡面侵蚀的重要形式，产生的危害要远远高于坡面径流侵蚀。壤中流不仅改变了侵蚀机制，加剧侵蚀量，而且对养分输出特征产生重大影响。因此，紫色土壤中流产流过程及其传输机制正受到众多研究者的关注[8-9]。

2.1.4 西南喀斯特水土流失/漏失过程与机理

喀斯特山区地形起伏大，坡陡沟深，基岩大面积裸露，土层浅薄且零星分布，持水能力较差，岩-土界面存在明显软硬界面，暴雨条件下易发生块体滑移。碳酸盐岩广泛分布，岩溶发育明显，化学溶蚀作用发育形成许多孔(裂)隙、漏斗，地下甚至发育形成落水洞、地下河，形成喀斯特区特殊的“二元”结构及多孔介质特征，其水循环和土壤侵蚀过程具有复杂性。在水力侵蚀及化学溶蚀作用下，其侵蚀过程包括雨滴溅蚀、坡面侵蚀、落水洞漏失和地下暗河运移4个主要过程。

国内外学者从20世纪90年代开始对喀斯特地表侵蚀过程与机理开展了大量研究，但由于受观测方法和技术手段所限，其研究主要以定性和定量化研究为主。近年来，随着探地雷达技术和核素示踪技术的引进，喀斯特坡地水土漏失过程得到广大研究者的关注，但喀斯特特殊的地形条件，使得野外观测和核素示踪难度高，其漏失过程与机理仍处于定性表述和室内模拟探索阶段，急需继续努力寻求野外监测的新方法、新技术[10]。

2.2 水土保持关键技术

自20世纪80年代以来，长江流域水土保持治理在实践中不断创新，由分散治理转为集中连片规模治理，治理模式也由单一工程措施或生物措施治理转为工程、生物和耕作措施相结合，由单一效益转为生态、社会和经济综合效益。通过实践和研究，长江流域水土保持关键技术主要体现在如下几个方面。

2.2.1 长江中上游坡耕地整治技术

长江中上游是我国坡耕地分布最为集中的地区，坡耕地治理一直是长江中上游水土保持的工作重点。2008年启动了“十一五”国家科技支撑计划“长江上游坡耕地整治与高效生态农业关键技术试验示范”重点项目。研究发现，当坡耕地产生细沟时，侵蚀量剧增。不同坡度与雨强条件下，存在细沟发生的临界坡长。控制坡耕地侵蚀产沙，抑制细沟产生是关键。

研发“大横坡+小顺坡”耕作技术，以细沟临界坡长为间隔沿等高线用截水沟截断坡面，形成大横坡；设计了既能截、排地表径流，又能排、导壤中流的半透水型截排水沟新技术；截水沟之间的地块，顺坡起垄，形成小顺坡，一定宽度设置纵向排水沟；截水沟、排水沟下配套田间道路，两端一定距离内设置沉沙池、过滤带、蓄水池，形成既能排，又能蓄的网络梯级化调控体系，提高坡面径流调控利用率12%～15%，建造成本降低32%，节省耕地10%。

研发能控制坡耕地细沟侵蚀的地埂，在地埂上种植具有经济价值的植物篱，或在坡度平缓的坡地上建造能控制细沟侵蚀的植物篱，减少坡耕地整治成本，减少水土流失60%以上[11]。

2.2.2 红壤退化阻控关键技术

红壤本身富铝化、酸化、铁质化及抗蚀弱等特征，使红壤具有酸、瘠、黏、板结等特性，加之土地不合理的利用和耕作、施肥管理，造成红壤丘陵区土壤退化严重，生态脆弱，生产效益低下。

2009年，针对红壤丘陵区水土流失、土壤酸化、土壤肥力贫瘠、生态功能退化等问题，启动了“十一五”国家科技支撑计划“红壤退化的阻控和定向修复与高效优质生态农业关键技术研究与试验示范”。

通过“红壤水土流失阻控关键技术研究”“退化红壤肥力重建及生态功能定向培育技术研究”等课题，研究不同措施配置结构与类型，提出径流调控与利用的最佳配置体系；研究侵蚀立地植被恢复的群落构建技术及其生态功能优化技术，构建适合的群落结构，建立立体搭配种植技术；集成免耕、等高耕作、垄作、增施有机肥等单项措施，建立工程和生物措施相结合的“集流聚肥耕作”技术；通过乡土植物筛选，优化残次林的结构与功能，恢复植被和改良土壤，增加植物种类组成，建立经济和生态综合效益最佳的退化坡地与残次林生态恢复优化模式[12]。

2.2.3 崩岗治理技术

崩岗作为南方红壤区特有的一种土壤侵蚀类型，国内很多学者对崩岗治理的技术手段与模式进行了广泛的探索。2009年启动的“十一五”国家科技支撑计划“红壤退化的阻控和定向修复与高效优质生态农业关键技术研究与试验示范”，提出经济开发型、生态恢复型崩岗治理技术集成与模式示范。2014年启动的“十二五”国家科技支撑项目“福建红壤区生态修复和持续经营关键技术集成与示范”，设置“崩岗侵蚀区生态修复关键技术集成与示范”课题。2015年长江科学院承担了水利部公益性行业专项“崩岗侵蚀风险评估及分类防控关键技术研究”。

通过野外现场考察与定位观测相结合，实验研究与理论分析相结合的研究手段，弄清了崩岗发育的区域分布规律，确定了崩岗侵蚀发生的环境背景条件；阐明了崩岗发育演变过程，揭示了崩岗发育的关键驱动因素；参考现有的生态、环境、地质灾害等风险评估成果，提出了南方崩岗侵蚀风险评估构想，建立了崩岗风险评价指标体系，确定了风险评估方法；开展了崩岗侵蚀风险评估，并进行了基于风险评估的崩岗防治分类；系统总结了崩岗治理单项技术，提出了不同风险类型崩岗综合防控技术集成与模式。研究成果为南方崩岗防治提供一定科学依据。

2.2.4 石漠化综合治理技术

西南喀斯特地区地质背景特殊，喀斯特作用强烈，生态环境容量小，人地矛盾突出，石漠化现象严重。尽管众多专家学者从喀斯特环境恢复与解决人地矛盾方面开展了一些研究与探索，但部分地区仍然存在生态与发展不协调，石漠化发展趋势难以得到有效遏制。

2016年启动的国家重点研发计划“喀斯特槽谷区土地石漠化过程及综合治理技术研发与示范”“喀斯特峰丛洼地石漠化综合治理与生态服务功能提升技术研究示范”“喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范”“喀斯特高原石漠化综合治理生态产业技术与示范”，针对喀斯特石漠化治理从遏制面积扩张为主转向提升生态服务功能为主的新阶段后面临的植被群落稳定性差、生态服务提升慢、治理技术与模式缺乏区域针对性等问题，研究生态工程实施以来石漠化演变关键驱动因子、水土流失/漏失机制与关键过程调控、植被恢复与人工诱导提升生态功能机理，突破面向功能优化的生态系统监测评估、表层岩溶水生态调蓄与高效利用、有机物资源利用与地力提升、耐性型植物群落构建与规模化建植、可持续性生态衍生产业培育等关键技术，形成生态服务提升与民生改善的石漠化综合治理系统性解决方案。

2.3 水土保持科研平台建设

长江流域水土流失径流小区试验始于20世纪30年代；40年代成立了四川省内江水土保持实验站，探索四川盆地紫色土坡耕地的土壤侵蚀规律；50年代，在贵州、湖北先后成立了贵州省金沙水土保持试验站、贵州省安顺水土保持试验站、湖北省黄冈地区水土保持试验站，这些试验站设置气象观测设施，建立径流小区，开展水土流失规律，水土流失防治措施与方法，水土保持防治效益等研究。20世纪50—60年代，中国科学院成立了中国科学院南京土壤研究所、中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，这两个研究所围绕南方红壤、西南紫色土建立了鹰潭农田系统野外科学观测研究站、常熟农业生态实验站、三峡工程生态环境秭归实验站、东川泥石流观测研究站、盐亭紫色土农业生态试验站、元谋干热河谷沟蚀崩塌观测研究站、忠县水土流失与面源污染观测站等野外科学观察实验站，为长江流域水土保持科学研究打造了良好的科研平台。20世纪80年代成立了四川省遂宁水土保持试验站、江西省水土保持科学研究所，开展了卓有成效的试验观测与科学研究。

2003年，成立了长江科学院水土保持研究所，将三维激光扫描仪应用于土壤侵蚀领域，研发了国内首台水土流失移动实验室，并在长江上游岷江、赤水河、乌江流域选择典型小流域建设水土流失与面源污染观测试验站，为长江流域科学研究提供了良好科研平台[13]。另外，通过全国水土保持监测网络和信息系统一、二期工程建设，以及各省开展的省级监测站点建设，长江流域已建成1个流域监测中心站、18个省级监测总站、195个国家骨干监测点和93个地方加密监测点，初步形成了以国家监测站点为骨干，地方监测站点为补充，地面观测和遥感监测互为补充，基本覆盖流域主要水土流失类型区、重点预防区和重点治理区的水土保持监测网络体系，为开展水土保持监测和成效评价工作打下了重要基础。

3 存在的问题及今后展望

尽管在长江流域水土保持科学研究上开展了大量工作，但长江流域自然环境复杂，侵蚀类型多样，总体来看，长江流域水土保持科学研究基础还比较薄弱，理论研究还落后于水土保持实践，特别是缺乏长系列的径流小区、小流域观测资料和对比资料，使得水土保持综合治理的综合效益研究处于相对薄弱的境地。

在土壤侵蚀过程与机理方面，坡面尺度研究的比较多，流域尺度上的研究较少，缺乏景观要素及其时空格局对流域侵蚀产沙作用的研究，更难以阐明不同尺度之间流域侵蚀-输移-沉积之间的关系。今后要进一步加强土壤侵蚀过程与机理的研究，重点是侵蚀形态发生演变过程数值模拟；流域侵蚀产沙对景观要素及其时空格局的响应；不同尺度之间流域侵蚀-输移-沉积过程研究。

尽管在红壤、紫色土等地对不同水土保持措施下的生态效益开展了一些研究，但不同水土保持措施的防蚀机理、水土保持措施的适应性评价、不同水土保持措施综合配置及效益评价方面还亟待加强。通过不同类型区水土保持综合治理模式、关键技术及生态经济效益分析，研究退化生态系统恢复重建过程，构建林草植被立体配置模式与经营利用技术，研发速生林草种选育与快速繁育技术，探讨经济、社会、生态环境演变及调控机制，建立生态系统健康诊断指标体系及其模型。

水土保持生态环境建设的区域环境效应评价方面，尽管围绕长江上游水土保持与三峡水库泥沙问题开展了一些研究，但在水土保持对区域水文生态过程、侵蚀产沙过程、植被多样性和植被演替过程、生态服务价值及对生态安全的影响方面研究还非常薄弱。今后应重点开展重大生态建设工程(包括长治工程、天保工程、退耕还林还草工程、生态修复工程等)生态过程变化、环境效应影响等研究。

伴随生态文明建设的持续深入，一些长期未能解决的问题更加突出，如水土流失动力过程与阻控机制，水土保持环境效应与调控等基础理论，重大生态建设工程对江河水沙的调控效应等重大科技问题，成为制约当前水土保持事业持续快速发展的瓶颈。与当前水土保持实践相比，水土保持技术标准、防治理论还需进一步加强，如城市水土保持技术标准体系及其与海绵城市建设技术参数耦合机制研究，区域水土保持措施防蚀减污机理及综合配置效益评价等。

在长江重大需求相关的支撑性、应急性研究方面，立足长江经济带建设发展需求，基于当前长江流域面临的清水下泄导致崩岸加剧等一系列水土保持相关突出问题，以服务“四个长江”建设为目标，从流域综合治理角度出发，创新生态文明建设背景下流域水土保持工作理念，开展多尺度流域水土保持效益评估体系构建及水土资源监测调控关键技术系列问题研究。通过考察多尺度条件下流域水土保持社会、生态及经济效益，研究构建流域水土保持效益综合评估体系，探索多尺度流域水土流失生态容许量；通过研究水土保持生态效应及其生态补偿机制，提出流域水土保持生态补偿对策；通过研究长江经济带建设对水土资源利用与保护需求及影响，提出水土资源综合调控与生态建设关键技术。

在基础和应用研究方面,应重点关注以下几点：土壤侵蚀动力学机制及其过程；全球变化条件下流域水沙动态与生态环境演变的关系；城镇化过程中新增土壤侵蚀综合防治技术；水土保持措施防蚀机理及适用性评价研究；退化生态系统的修复机理研究与技术研发；区域水土流失治理标准与容许土壤流失量研究。

通过以上研究和研发，构建集水土资源调控、监督监测及效益评估为一体的系统技术体系，为完善流域水土保持工作长效机制、确保流域水土保持工作在生态文明建设背景下取得最优化的综合效益。